基于单片机的无线充电器设计.docx

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基于单片机的无线充电器设计

基于单片机的无线充电器设计

学生姓名：

学生学号：

院（系）：

电气信息工程学院

年级专业：

电子信息工程

指导教师：

助理指导教师：

二〇一五年五月

摘要

随着用电设备对供电质量、可靠性、方便性、安全性、特殊场合、特殊地理环境等要求的不断提高，接触式的电能传输方式对于满足实际需要越来越显得捉襟见肘了。

与此同时，无线电能传输系统，摆脱了线路的限制，实现电器和电源的完全分离，具有无线传输电能、设备体积小、传输效率高、便于携带和集成等优点。

本课题设计介绍了一种运用新型的能量传输利用电磁波感应原理和有关的交流感应技术，采用STC12C5A60S2低功耗单片机作为无线传能充电器的监测控制核心,实现电流控制和电压控制功能，电能充满后给出充满提示且自动停止充电。

基于STC12C5A60S2单片机控制发射端和接收端产生的相应交流信号来进行充电的智能无线充电器。

利用设计通过对系统的硬件部分和软件部分的设计实现无线能量传输，在距离发射线圈的指定范围内对小型用电器如手机、MP3等直接充电。

硬件部分包括高效直流稳压模块、驱动模块、显示模块、控制模块等的设计；软件部分主要根据系统的设计思想设计出了主程序和子程序流程图，并通过C语言实现相应的编程要求。

通过理论分析和仿真证明，建立谐振耦合无线电能传输系统模型以及谐振耦合无线电能传输系统模型,通过计算得出了系统中电路参数与输出功率的关系。

设计并制作谐振耦合无线电能装置,使用LCD1602设计显示,实时充电电压显示。

关键词无线电能传输,谐振耦合,无线充电器,LCD1602,STC12C5A60S2单片机

ABSTRACT

Thispaperintroducedtheuseofapowertransmissiontechnology,wirelesspowersupplytechnologymodel,usingtheprincipleofelectromagneticinductionandtheinductiontechnology,intelligentwirelesschargerforchargingtheACsignalbasedontheSTC12C5A60S2single-chipmicrocomputertocontrolthetransmittingendandtheenvironmentandotherrequirementscontinuetoincrease,thepowertransmissionmodeofcontacttomeettheactualneedsbecomemoreandmoredifficult.Atthesametime,wirelesspowertransmissionsystem,getridofthelimitline,completelyseparateelectricalandpower,withthewirelesstransmissionofelectricalenergy,theequipmenthastheadvantagesofsmallvolume,hightransmissionefficiency,easytocarryandintegration.Intherapiddevelopmentofscienceandtechnologyin21Century,theprospectsforthedevelopmentofintelligentwirelesscharger.

Thedesignthroughthedesignofthehardwarepartandthesoftwarepartofthesystemtoachievethewirelessenergytransmission,withinthespecifiedrangeofthetransmittingcoilinsmallappliancessuchasmobilephone,MP3andotherdirectcharge.ThehardwarepartincludesefficientDCpowermodule,drivemodule,displaymodule,controlmoduleandsoon;thesoftwarepartismainlybasedonthedesignthoughtofthesystemdesignofthemainprogramandthesubprogramflowchart,andthroughtheClanguagetoachievethecorrespondingprogrammingrequirements.relationshipbetweenthecircuitparametersandtheoutputpowerofthesystem.Thedesignandfabricationofresonantcouplingwirelessdevice,usingtheLCD1602designdrawprogressbarshowscharging,chargingvoltage,chargingtimedisplay.

Keywordsradiotransmission,resonantcoupling,wirelesscharger,LCD1602STC12C5A60S2

1绪论

1.1课题背景

随着科学的发展与社会的进步,人们的需求变化正在日益发生着深刻的改变,对科学技术含量的要求越来越严格。

无线电能传输技术作为一种新型的传能方式，主要包含谐振耦合无线电能传输，它具有传输效率高、适合中等传输距离等特点，以磁场和谐振耦合理论为基础,能在不接触情况下,将电能高效的传输到负载，克服了传统的电能传输方式的许多不足和缺点。

与普通的感应电能传输技术相比,具有传输距离相对较远,与电磁波辐射传输技术相比具有更好的传输效率。

近几年来，国内外许多研究机构和公司关于无线充电的技术相继对微距及短距离的无线供电产品进行讨论和研究。

无线电技术几乎普及到全球的每一个角落，融入于通信系统，从当初的简单的无线电广播和电报，发展到科学技术发达的今天的技术含量高的卫星和微波通信等，使人们的生产和生活方式极大地发生了改变。

然而，无线通信传送的都是微弱的信息,无线传输的距离越远，设备耗能越高，接收的也不是功率较大的能量。

即使目前一些知名公司已经推出一些无线充电设备，但有一些地方还不很完善，还需进一步改进。

对于实施大功率的无线传输来说，比较困难了。

无线充电技术在小功率的范围内还是可以显示出它的优越性的。

首先，它满足了现代人们快节奏生活需要方便的要求，许多使用极为方便的便携式的移动产品，都要不定期地连接进行充电，也因此留下了各种插口和连接电缆，防水性能的密封工艺也从而不易实现。

其次，由于人类对电能的消耗越来越大，带来了的诸多的环境污染等困挠，而无线非接触式充电技术顺应了现代社会的需求，提供了解决问题的有效途径，进一步加强肯定了建设可持续发展社会。

在社会不断发展的今天，无线充电器设计基于一项新型的技术，应用涉及领域广泛，本课题设计增加了充电智能保护，稳定性好，电路简洁，实用性高，更加全面的丰富了充电器的实用性，方便了人们的生活，具有良好的发展前景。

1.2国内外研究现状、水平

无线供电技术传输电力已与早期20世纪早期在电磁感应现象发现后国外就掀起了设计风潮。

绕线式变压器的“E”字形状型铁心绕上铜线后，通电后发现可以感应起电，但传输效果不会很理想，感应强度减弱甚至是消失。

这是由于在市电频率50Hz下，电磁波的无线传递会随着距离增加而出现能量的快速衰退。

这是由于电磁感应技术用以传递能量的变化磁场，随着传输的距离的增加，消耗的磁能就越多，而在用电负载中所获得能量也越少。

但无论是采取电磁还是磁电的方式进行的远距离的无线传输，根据磁能传输原理，能量都会产生流失和损耗，而且随着转换次数的增加，损耗也会越来越大，而与此次同时带来的其他不利因素也会增加用电设备的提前衰老，如电流过大等，都会对生产生活的使用带来了许多不便。

随着电子产业的蓬勃发展，相继研发出了产生利用谐振耦合进行交流振荡并利用单片微机控制和利用LCD控制的无线供电系统，该系统主要由两部分组成，第一部分是驱动发射电路，第二部分是电能变换接收电路，以及产生了电压电流独立显示系统、充电智能能控制系统等。

在当前的无线充电技术，能够在微短距离范围内的近磁场对电子设备进行无线充电。

国内的无线供电设备设计相对于起步较晚，市场上也出现了许多无线充电产品，但都是在用电功率比较小的领域，比如，电动剃须刀、电动玩具等，可瓶颈仍然没有实质性的突破。

各厂家都在激烈的竞争着，在硬件和软件上各显神通，对于不同产品的升级，实现了无线充电技术在产品层面的功能，满足了消费者的需求。

能量的传送要求能够达到负载的的用电功率，以及传输效率的问题，有别于信号的传输，后者要求其传输过程中无失真，无损坏，保持内容的完整性和真实性。

虽然能量的无线传送的想法早已有之，但因为一直无法突破效率这个问题，使它一直不能进入实用领域。

但是，为了充分发挥无线充电的方便性，实施大功率的无线传输，就比较困难，还需要进一步的钻研与完善，随着新材料新方法的研究也一定有所突破。

利用高新技术采用比较简单易操作的设备实现较远距离下的无线电能传输，形成商业化的趋势应用，当今的移动电子设备世界将能迎来新的一次变革。

1.3本课题的发展趋势

无线供电技术在问世以来，经过几十多年的发展，已成为了美、德国等工业发达国家的重要产业之一，世界总销售额不断上升，生产厂家不断涌现，品种在不断的更新，产量产值大幅度上升而价格则不断下降。

无线供电技术在传输过程中的损耗只有传统供电技术的能量损失的百万分之一，对于能源短缺的今天，具有非常重要的研究意义。

它的原理在于耦合谐振，当振荡磁场的频率发送方和接收方产生的固有频率相同时,接收方会产生共振,从而实现能量的转移，是一种非常有效的传能方式。

根据共振的特性，在这样一个共振系统内发生能量转移，而其他对象不会影响谐振系统。

通过电磁感应来进行无线供电是非常成熟的技术，但会受到很多限制。

最主要的问题是，低频磁场会随着距离的增加而快速衰减。

如果要增加供电距离，只能加大磁场的强度。

但同时，磁场强度的大小一方面会影响电能的消耗，另一方面可能会导致产生磁干扰信号。

我们都不想自己的硬盘里面的数据被强磁场一笔勾销吧。

随着科学技术不断的发展和研究领域，新型超材料可提高无线电力传输效率。

为了填补电力传输过程装置和接收装置之间的空隙，减小在传输过程中的微波或激光造成的干扰，这种超导新材料被制成一种小而薄的透镜放置在电源和用电设备之间从而提高了传输效率。

随着现代科技的发展，微型单片机已普遍应用于控制系统的各种环境。

控制系统由中央控制装置、终端控制设备和振荡装置等组成。

根据设计指定的参数，编写程序存储于单片机中，单片机根据程序，结合终端控制发送系统指令。

中央控制装置模块通过检测振荡装置模块输送来的信息，根据相应的指令程序输出控制信号，接收电路接收该信息执行指令任务，实现电能的无线传输。

无线电力传输的优势在于不受其他外界因素的太多干扰在任何地方都可以实现能量传输，当然这是无线电力传输发展到一定阶段所能呈现的现象；其次能去除电池、充电线等冗杂额物品，为设备的微型化提供了有利条件，有利于缓解各种用电设备的能量的大量的消耗带来的能源短缺问题。

当科技水平达到一定程度时，一种新型的无线充电系统将会应运而生，实现对多种充电设备进行无线充电。

当人们可以在任何距离内都广泛实现无线供电的时，能量的应用也将会变得唾手可得。

无需再抱怨没有合适的充电器，不用再为电子设备准备厚重的电池以尽量延长它们的待机时间。

我们可以把手持设备做得更小更薄，甚至可以容易地植入体内。

2系统总体设计方案

2.1系统总体设计方案简述

该无线传输供电系统是由高效直流稳压模块、驱动模块、显示模块、控制模块等组成。

通过对交流信号的振荡、分析、处理，然后输出信号来使执行部件进行动作，实现无线能量传输，在距离发射线圈的指定范围内对小型用电器如手机、MP3等直接充电。

软件部分主要根据系统的设计思想设计出了主程序和子程序流程图，并通过C语言实现相应的编程要求。

通过理论分析和仿真证明，建立谐振耦合无线电能传输系统模型以及谐振耦合无线电能传输系统模型,通过计算得出了系统中电路参数与输出功率的关系。

设计并制作谐振耦合无线电能装置,使用LCD1602设计显示实时充电电压显示、电流显示。

2.1.1系统的基本功能

本设计中基本功能实现如下：

1.利用高效直流稳压电源，为无线传输电能装置提供稳定可需的电流电压，在距离发射线圈的指定范围内对小型用电器如手机、MP3等直接充电；

2.利用液晶显示装置显示实时充电电压显示、充电时间显示；

3.利用继电保护电路，设定电流电压在正常范围内，充电指示灯显示，充电时，红灯亮，充满时红灯灭；

4.根据无线电能传输进行后续控制,对于充电过程中，通过按键可以设置充电电流以满足充电电池的充电需要。

2.1.2主要技术参数

按照如下图的电能无线传输装置结构框图有如下参数：

图2.1无线传输装置结构框图

1）按照结构框图,输入端直流电压为12V，I1、I2之差的绝对值小于I1值。

2）按照结构框图，接收端最大充电电流值600mA，两端电压约为5V。

3）使用STC12C5A60S2单片机，在5cm内对小型用电器如手机、MP3等直接充电。

4）使用LCD1602设计显示充电实时充电电压显示、充电时间显示。

5）整个工作过程中充电电路的LED指示灯显示的状态如下，通过按键可以设置充电电流以满足充电电池的充电需要。

表2.1LED指示灯显示状态

充电状态

LED指示灯

充电装置未接入

全灭

正在充电中

红灯亮，绿灯灭

充电结束

绿灯亮，红灯灭

充电出错

红绿灯交替闪烁

2.2系统设计方案选择

方波发生器方案：

1）使用CD4011及其外围电路构成方波发生器

图2.2CD4011方波发生器

2）使用NE555及其外围电路构成占空比可调的方波发生器

图2.3NE555方波发生器

前级驱动方案：

1）使用S8550、S8050构成的推挽驱动电路

图2.4S8050驱动电路

2）使用IR2104构成的推挽驱动电路

图2.5IR2104驱动电路

MOS管：

1）IRF3205，内阻0.4ohms

2）CSD19531KCS，内阻7.7mohms

恒流源方案：

1）使用LM317构成的简易恒流驱动电路

图2.6LM317恒流驱动电路

2）STC12C5A60S2单片机控制的可控恒流源

图2.7STC12C5A60S2控制的可控恒流源

2.3方案分析

1）方波发生电路

在上述2种方波发生器方案中，使用CD4011构成的方波发生电路结构较为简单，方波频率=晶振频率，既想改变方波频率只能通过更换晶振来完成，且此方案中方波占空比为固定的50%，不足之处是现有晶振与LC谐振频率可能不匹配、跟换晶振较为麻烦以及实际需求中占空比不一定为50%的情况。

NE555及其外围构成的方波发生电路通过调节精密可调电阻来调节方波频率以及占空比，相比CD4011来说具有极大优势。

NE555构成的方波发生器来说，具有频率比较稳定的优势，使用更加方便，输出的方波电压幅度较高，能够满足整体电路的电压需求。

2）前级驱动方案

在上述2种前级驱动方案中，区别在于使用的三极管型号不同，S8550/S8050为小功率开关三极管BD137/BD138为中功率三极管，实际使用需考虑到推动MOS管的电流需求，来采用具体的三极管。

考虑到最大电流以及开关特性，采用推挽驱动电路采用BD137/BD138方案。

3）MOS管

在备选的2种MOS管中，CSD19531KCS为Ti公司的高效率N沟道MOS管，内阻为7.7mohms，IRF3205为常用的大功率N沟道MOS管，内阻0.4ohms。

在保证效率的情况下，MOS管的选择与LC谐振回路的等效电阻有关，使LC等效电阻等于mos管的内阻，降低MOS管上热散功耗，提高效率。

考虑到使用CSD19531KCS驱动时LC谐振回路中的电容大小，故MOS管采用IRF3205。

4）恒流源

因本设计要求给用电设备进行充电，故使用恒流源最佳，上述的2种方案中STC12C5A60S2控制的可控恒流源虽然有着精确可调的特点，但电路较为复杂。

用LM317构成简易恒流驱动器电路非常简单，但是其精度不高，驱动电流不太大。

因此为了获得较大的驱动电流，采用STC12C5A60S2单片机控制的可控恒流源电路。

2.4系统的理论分析

为了实现无线充电设计系统的是设计，联系实际本设计是采用的是典型的电磁感应式无线电能传输的方式，利用电磁感应原理，初级线圈与次级线圈构成一个非接触式的耦合振荡器，实现电磁能的交替转换完成无线传输。

本设计的设计关键是利用线圈的耦合传递能量，保证电路的接收部分可以接收到足够大的能量，提供给充电控制电路。

当然如何提高充电电路的能量利用效率是一个不得不考虑的问题，在满足设计电路的基本要求下，尽可能提高电能的传输效率，采用低功耗的设计。

设计采用NE555及其外围构成的方波发生电路通过调节精密可调电阻来调节方波频率以及占空比，相比CD4011来说具有极大优势。

振荡电路使用晶体管振荡，可以产生稳定的工作频率，但频率不可调；采用RC振荡，其频率在一定的范围内可调，电路简单而且省电。

因系统选择频率不高，频率在一定范围内可调，所以选择NE555与RC构成的振荡电路。

功率放大电路如采用大功率开关三极管作为功放元件，但三极管管耗较大，需要大面积的散热片，成本比较高。

而使用场效应管作为功放元件，功耗低于三极管，驱动功率小，使用方便，故采用IRF630的型号MOS管。

线圈部分采用平板式绕法，在占空比在一定范围内减小时，平板式绕法的线圈接收端效率会变高。

由于题目中提及驱动LED灯，故使用恒流源最佳，恒流源使用LM317构成的简易的恒流驱动，特点是电路结构简单，相对于使用51系列单片机控制的可控恒流源电路来仅仅驱动LED显示指示灯，更方便简洁，但是其精度不高，驱动电流不太大。

通过对系统的硬件部分和软件部分的设计实现无线能量传输，在距离发射线圈的指定范围内对小型用电器如手机、MP3等直接充电。

无线充电系统组成框图如下：

图2.8无线充电系统组成框图

3系统的硬件设计

3.1单片机的选择与其控制

3.1.1单片机概述

单片机是一种集成的电路芯片，又被称为微控制器（MirocontrollerUnit）,它是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器、A/D转换器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

与通用的计算机不同，单片机的应用属于芯片级的应用，它可以单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能。

通过其相应的指令系统，以及集成电路应用技术和其他设计所需的理论技术，设计特定的芯片应用程序，在软件的控制下准确、快速、高效地完成程序设计事先规定的事物。

在软件方面主要以汇编、C语言、嵌入式操作系统为主，具有方便灵活的控制特点。

微处理器的发展正朝着面向数据运算、信息处理等功能的系统机的方向发展，具有微型化、简单易用，价格低廉等优点深受广泛应用，渗透到人类生活中的各个领域。

总的来说，单片机主要分为通用型和专用型两大类，通用型单片机是提供使用者全部的开发资源，一般我们使用的单片机属于通用型的单片机。

专用型单片机顾名思义是针对某些应用专门设计的，例如打印机控制器、录音机机芯控制器等。

单片机微控制器的出现改变了原有的传统电路设计方法，由原有的逻辑设计方法演变成现在的软件与硬件相结合的方法，从本质上改变了控制方法和设计思想，是控制技术上的一次伟大的技术改革，是一个新的里程碑跨越。

3.1.2单片机STC12C5A60S2的介绍

STC12C5A60S2单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点的新一代的8位8051单片机，工作电压一般为5.5-3.5V，其指令代码完全兼容传统的8051系列单片机,运行速度是普通51系列单片机8-12倍，内部有集成的MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换。

STC12C5A60S2单片机的功能强大可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，尤其针对电机控制，强干扰场合。

STC12C5A60S2的管脚图如下图3.1所示。

图3.1STC12C5A60S2的管脚图

各引脚功能简单介绍如下：

1.VCC：

供电电压；

2.GND：

接地；

3.P0口：

P0口作为一个8位漏级开路双向I/O口，能够用于外部程序数据存储器。

4.P1口：

P1口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流；

5.P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，P2口可用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器；

6.P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，也可作为单片机某些特殊功能接口；

7.RST：

复位输入接口；

8.ALE/PROG：

它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用；

9.PSEN：

作为外部程序存储器的选通信号；

10.EA/VPP：

当EA保持低电平时，访问外部ROM；当EA端保持高电平时，访问内部ROM；

11.XTAL1：

反向振荡放大器及时钟电路的输入接口；

12.XTAL2：

反向振荡器的输出端；

3.1.3单片机最小系统的介绍

单片机最小系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统,对STC系列单片机而言，最小系统一般应该包括:

单片机、时钟电路、复位电路、电源电路。

STC系列单片机内部除了CPU、FPEROM，RAM，定时/计数器T0和T1等基本结构组成外，与普通的51系列单片机相比具有以下特点：

STC12C5A60S2其内部60KB的用户应用程序空间，256B的RAM和1024B的XRAM能满足程序代码和缓冲区定义的需求，另有与程序存储空间独立的一片闪存区域，可在应用编程中作EEPROM使用；

在同样晶振的情况下，STC12C5A60S2的运行速度是普通51系列单片机的8-12倍，具有8路10位高精度ADC转换模块，转换速度极高可达到250K/S；有PDIP-40封装的芯片，易于方便快速的进行仿真设计，有36个通用I/O口，大部分可位控，并具有强推挽输出的能力；

STC12C5A60S2有双UART以及ISP串口，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，含有4个16bit定时器和一个独立的波特率发生器，另外还有两个PCA模块，能获得丰富的定时器资源。

单片微机内部最核心的部分是CPU，CP